本文關(guān)鍵詞：三維多孔Ni基金屬納米電極的制備與電催化性能的研究

  更多相關(guān)文章： 燃料電池 電解水析氫 水合肼氧化反應(yīng) 三維多孔 超薄金屬納米片

【摘要】：化石能源的有限使用和環(huán)境惡化的日益加劇使得開(kāi)發(fā)清潔的、可再生的新型能源和儲(chǔ)能設(shè)備成為當(dāng)務(wù)之急。氫氣能源和燃料電池因能量密度高、無(wú)污染、可持續(xù)利用等優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是化石燃料較為理想可行的替代品。當(dāng)前,開(kāi)發(fā)高效、穩(wěn)定、廉價(jià)的電解水制氫和燃料電池的電催化劑以及電極材料已成為研究熱點(diǎn)。而三維多孔結(jié)構(gòu)是高效電極較為理想的形貌�；诖�,本課題設(shè)計(jì)了一系列兼具大孔和小孔的三維多孔廉價(jià)Ni基金屬納米電極材料,大孔可提高傳質(zhì)效率,小孔增大表面積、提高表面活性原子含量。而且,通過(guò)對(duì)超疏氣鎳納米花電極、超薄金屬鎳納米片陣列電極以及超薄鎳-鈷合金納米片陣列電極的逐一設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)電極材料結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及組分的調(diào)控。并進(jìn)行了水合肼電氧化反應(yīng)和電解水析氫性能測(cè)試,性能優(yōu)異。具體研究?jī)?nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：1、通過(guò)在泡沫鎳基底上水熱合成Ni(OH)2納米片陣列,再經(jīng)溶劑熱還原制備出了三維多孔金屬鎳納米花電極材料。鎳納米花的尺寸較為均一,結(jié)晶性良好。納米花之間以及花片之間具有很多小孔,再結(jié)合泡沫鎳基底本身的大孔,形成了大孔中有小孔的三維多孔結(jié)構(gòu)。同時(shí),三維多孔鎳納米花電極材料具有超疏氣的表面,對(duì)氣泡具有超低的粘附力,生成的氣泡能夠迅速地脫離電極表面,及時(shí)暴露出更多的活性位點(diǎn)。相比于目前商業(yè)上使用的Pt/C催化劑,三維多孔鎳納米花電極材料具有更高的水合肼氧化和電解水制氫(HER)的催化活性以及更高的穩(wěn)定性。同時(shí),本實(shí)驗(yàn)也為非貴金屬納米結(jié)構(gòu)的可控設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的途徑。2、通過(guò)對(duì)生長(zhǎng)在泡沫鎳基底上的Ni(OH)2納米片陣列進(jìn)行緩慢溫和的溶劑熱還原后,制備出三維多孔超薄鎳納米片陣列電極。制備的金屬鎳納米片具有單晶的層狀結(jié)構(gòu),表面暴露(111)晶面,且厚度僅為2.2 nm。因?yàn)椴捎昧司徛膭?dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)換過(guò)程,氫氧化鎳陣列的多孔結(jié)構(gòu)被保存下來(lái)。鎳納米片陣列表面極為粗糙,對(duì)氣泡幾乎沒(méi)有粘附力,表現(xiàn)出了超疏氣的特性。同時(shí),因具有大量的表面活性原子和良好的單晶結(jié)構(gòu),三維多孔超薄鎳納米片陣列比目前商用Pt/C催化劑具有更高的水合肼氧化(HzOR)催化活性。又因具有可調(diào)控的表面狀態(tài),在經(jīng)過(guò)部分氧化以后,鎳/氧化鎳納米片陣列可作為高效的電解水析氫(HER)和電解水析氧(OER)催化劑。據(jù)我們所知,單晶鎳納米片是超薄非貴金屬納米片的首次報(bào)道,可為非貴金屬納米片的制備提供一種簡(jiǎn)單可行的方法。3、通過(guò)拓?fù)浠瘜W(xué)轉(zhuǎn)換/還原氫氧化鎳鈷納米片陣列的方法,制備出了三維多孔超薄鎳-鈷合金納米片陣列。鎳-鈷合金納米片為(fcc)型單晶結(jié)構(gòu),且鎳元素和鈷元素可均勻分布在納米片中。對(duì)不同摩爾比的鎳鈷合金納米片進(jìn)行水合肼氧化性能測(cè)試,其中Ni0.6Co0.4合金納米片陣列表現(xiàn)出了最高的水合肼氧化催化活性,而且比鎳納米片陣列和商用Pt/C催化劑的過(guò)電位更低和電流增長(zhǎng)速度更快。當(dāng)進(jìn)行水合肼/雙氧水燃料電池測(cè)試時(shí),以Ni0.6Co0.4合金納米片陣列作為陽(yáng)極的電池比以鎳納米片陣列和商用Pt/C催化劑時(shí)具有更高的開(kāi)路電壓和更大的功率密度。據(jù)我們所知,本實(shí)驗(yàn)將為單晶非貴金屬合金納米片的首次報(bào)道。同時(shí),為超薄非貴金屬合金納米片的制備提供一種簡(jiǎn)單可行的方法。
【關(guān)鍵詞】：燃料電池 電解水析氫 水合肼氧化反應(yīng) 三維多孔 超薄金屬納米片
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O643.36;TM911.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 緒論14-28
• 1.1 課題研究背景14-15
• 1.2 水合肼電氧化反應(yīng)15-17
• 1.2.1 水合肼電氧化反應(yīng)原理15-16
• 1.2.2 水合肼電氧化反應(yīng)催化劑16-17
• 1.3 電解水析氫反應(yīng)17-21
• 1.3.1 電解水析氫反應(yīng)原理17-18
• 1.3.2 電解水析氫反應(yīng)催化劑18-21
• 1.4 多孔納米電極材料21-25
• 1.4.1 多孔金屬納米電極材料21-23
• 1.4.2 多孔非金屬納米電極材料23-25
• 1.5 本課題的研究意義和研究?jī)?nèi)容25-28
• 第二章 三維多孔金屬鎳納米花超疏氣電極的制備及其電催化性能的研究28-42
• 2.1 引言28-29
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分29-32
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑29
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器29-30
• 2.2.3 實(shí)驗(yàn)方法30-32
• 2.2.3.1 金屬鎳納米花電極材料的合成方法30-31
• 2.2.3.2 金屬鎳納米花電極材料的結(jié)構(gòu)表征方法31
• 2.2.3.3 金屬鎳納米花電極材料的氣泡粘附力表征方法31-32
• 2.2.3.4 金屬鎳納米花電極材料的電催化性能測(cè)試方法32
• 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論32-39
• 2.3.1 鎳納米花電極材料的結(jié)構(gòu)表征與分析32-35
• 2.3.2 鎳納米花電極材料的疏氣性能表征與分析35
• 2.3.3 鎳納米花電極材料的電催化性能測(cè)試與分析35-39
• 2.3.3.1 水合肼氧化性能測(cè)試與分析35-38
• 2.3.3.2 HER性能測(cè)試與分析38-39
• 2.4 本章小結(jié)39-42
• 第三章 三維多孔超薄金屬鎳納米片陣列電極的制備及其電催化性能的研究42-58
• 3.1 引言42-43
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分43-46
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑43
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器43-44
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)方法44-46
• 3.2.3.1 超薄金屬鎳納米片陣列電極的制備方法44-45
• 3.2.3.2 超薄金屬鎳納米片陣列電極的結(jié)構(gòu)表征方法45
• 3.2.3.3 超薄金屬鎳納米片陣列電極的電催化性能測(cè)試方法45-46
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論46-57
• 3.3.1 超薄金屬鎳納米片陣列的結(jié)構(gòu)表征與分析46-51
• 3.3.2 超薄金屬鎳納米片陣列的電催化性能測(cè)試與分析51-57
• 3.3.2.1 水合肼電氧化性能測(cè)試與分析51-53
• 3.3.2.2 HER性能測(cè)試與分析53-55
• 3.3.2.3 OER性能測(cè)試與分析55-57
• 3.4 本章小結(jié)57-58
• 第四章 三維多孔鎳-鈷合金納米片陣列電極的制備及其電化學(xué)性能的研究58-76
• 4.1 引言58-59
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分59-62
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑59-60
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器60
• 4.2.3 實(shí)驗(yàn)方法60-62
• 4.2.3.1 鎳-鈷合金納米片陣列電極的制備方法60-61
• 4.2.3.2 鎳-鈷合金納米片陣列電極的結(jié)構(gòu)表征方法61
• 4.2.3.3 鎳-鈷合金納米片陣列電極的電化學(xué)測(cè)試方法61-62
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論62-73
• 4.3.1 鎳-鈷合金納米片陣列的結(jié)構(gòu)表征與分析62-68
• 4.3.2 鎳-鈷合金納米片陣列的電化學(xué)性能測(cè)試與分析68-73
• 4.3.2.1 水合肼電氧化性能測(cè)試與分析68-71
• 4.3.2.2 水合肼燃料電池性能測(cè)試與分析71-73
• 4.4 本章小結(jié)73-76
• 第五章 結(jié)論76-78
• 參考文獻(xiàn)78-86
• 致謝86-88
• 研究成果和發(fā)表的學(xué)術(shù)論文88-90
• 作者及導(dǎo)師簡(jiǎn)介90-91
• 北京化工大學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士研究生學(xué)位論文答辯委員會(huì)決議書(shū)91-92

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